（材料学专业论文）高硫钢中硫化物形态控制的研究.pdf

武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 【l i i l llii l l li i l liiii l l l l l l y 17 3 9 3 0 0 本人郑覆声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：妒一日期： 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果! 勰武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名：着喃 攀 名期z 签e pd y教导 撬图 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 高硫合金钢中硫化物的尺寸、形态和分布对高硫合金钢的性能有着决定性的影响。本 文采用不同壁厚的铁模和砂模浇注高硫钢，借助于扫描电镜研究了凝固速度对试验钢的组 织与硫化物的尺寸、形态和分布影响，然后对典型试样进行了热处理，并分析了不同的热 处理工艺对试验钢组织及硫化物的影响规律，最后按国标对其进行了力学性能测试和耐磨 性测试。 经过定量金相分析了5 种凝固速度下铸态组织中硫化物的变化规律。当钢的凝固速度 由快到慢，硫化物由弥散分布于基体的细小点状演变成在晶界上形成不规则硫化物块状， 基体组织由马氏体向平衡组织靠近。 高硫钢在8 5 0 淬火时，由于淬火温度较低，在加热和保温的过程中，部分基体不能 完全奥氏体化，仍有部分组织为珠光体，其硬度低。而9 5 0 、1 0 0 0 淬火时，奥氏体晶 粒显著粗化，淬火后得到粗大的马氏体，钢的硬度降低。在9 0 0 淬火时，硫化物平均尺 寸最小，体积百分比最少。随着温度升高，硫化物聚集成块状，使原来的小颗粒状变成大 的块状。 淬火温度9 0 0 的试样磨损量最小，明显低于g c r l 5 。调质处理后的高硫钢试样拉伸 抗拉强度可达4 6 0 m p a ，拉伸试验时发生脆性断裂。 关键词：硫化物；凝固速度；热处理；磨损量；力学性能 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep r o p e r t i e so fh i 曲一s u l f u ra l l o ys t e e l ( h s ) w e r ed e t e r m i n e db yt h es i z e ，s h a p ea n d d i s t r i b u t i o no fs u l f i d e si nt h es t e e l h sw a sc a s tb yu s i n gd i f f e r e n tt h i c k n e s so fi r o nm o l da n d s a n dm o l d ，r e s p e c t i v e l y t h ei n f l u e n c eo fs o l i d i f i c a t i o nr a t eo fh so nt h es i z e ，t h es h a p ea n dt h e d i s t r i b u t i o no fs u l f i d e sw e r ei n v e s t i g a t e db ym e a n so fs e m s o m es p e c i m e n sw e r eh e a tt r e a t e d t oa n a l y z et h es u l f i d ea n ds t r u c t u r es t a t eo fh si nd i f f e r e n th e a tt r e a t e dh i s t o r i e sa n dt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dw e a l r e s i s t a n c ew e r et e s t e d t h e s i z e , s h a p ea n dd i s t r i b u t i o no f s u l f i d e si nt h eh sw e r eq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e da n dt h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h es u l f i d e si nr a p i ds o l i d i f i c a t i o nh sa p p e a r e da st i n ys p h e r o i dd i s p e r s e di n t h em a t r i x ，b u ti ns l o ws o l i d i f i c a t i o no n e sal a r g ei r r e g u l a re l l i p s i o d sw e r ef o u n di n g r a i n b o u n d a r y t h em a t r i xs t r u c t u r ec h a n g e df r o mm a r t e n s i t et op e a l i l es t r u c t u r e h e a t e da t8 5 0 。c ，t h em a t r i xo fh sc a n n o tb ef u l l ya u s t e n i t e da n dw e r es t i l lp e a r l i t e s t r u c t u r ea f t e rq u e n c h i n g , s h o w i n gl o wh a r d n e s s h e a t e da t9 5 0 ca n di0 0 0 。c ，t h ea u s t e n i t e g r a i nw e r es i g n i f i c a n t l yc o a r s e na n dq u e n c h e ds t r u c t u r ea l s os h o w e dap o o rh a r d n e s sb e c a u s e o f c o a r s em a r t e n s i t e q u e n c h e da t9 0 0 ，t h ea v e r a g es i z eo f t h es u l f i d e si nh sw a st h es m a l l e s t a n ds ow a st h ev o l u m ep e r c e n t a g e w h e nt h eh e a tt r e a t m e n tt e m p e r a t u r ew a sa b o v e9 0 0 。c ， s u l f i d e sg a t h e r e dw i t hs i z ei n c r e a s e d t h ew e a ra m o u n to ft h eh si st h el e a s tf o rt h es p e c i m e nq u e n c h e di n9 0 0 。c ，b e i n g s i g n i f i c a n t l yl o w e rt h a nt h a to fg c r l5 t h et e n s i l es t r e n g t ho ft h eh sw a s4 6 0 m p aa f t e r t h e r m a lr e f i n i n gw i t hb r i t t l ef r a c t u r e k e y w o r d s ：s u l f i d e ；s o l i d i f i c a t i o nr a t e ；h e a tt r e a t m e n t ；w e a r ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e 武汉科技大学硕士学位论文 第1 i i 页 目录 摘要i a b s n a c t i i 第一章文献综述1 1 1 前言1 1 2 钢中的硫化物1 1 2 1 硫化物的形态和影响因素2 1 2 2 硫化物的生成规律3 1 2 3 热处理对硫化物的影响4 1 3 高硫钢及其中硫化物的研究现状4 1 3 1 高硫钢的性能5 1 - 3 2 硫化物对钢性能的影响：5 1 4 凝固速度对组织晶粒的影响6 1 5 钢铁材料的摩擦磨损与减磨6 1 6 钢的热处理7 。 1 6 1j 叵火7 1 6 2j j 区火8 1 6 3 淬火8 1 6 4 回火8 1 7 本课题的研究意义9 第二章凝固速度对高硫合金钢组织及其硫化物的影响1 0 2 1 前言10 2 2 实验过程与方法1 0 2 2 1 实验材料10 2 2 2 实验方法1 1 2 2 3 实验设备、仪器及耗材1 1 2 3 实验结果与分析1 1 2 3 1 凝固速度对基体组织的影响1 2 2 3 2 凝固速度对硫化物的影响1 7 2 3 3 铸态高硫钢三晶区的组织及硫化物分析2 0 2 4 本章小结2 l 第三章热处理对高硫合金钢组织及其硫化物的影响2 2 3 1 前言2 2 3 2 实验过程与方法2 2 3 2 1 热处理工艺的制定2 2 3 2 2 组织分析2 3 第页武汉科技大学硕士学位论文 3 2 3 硫化物定量分析2 3 3 2 4 实验设备、仪器及耗材2 3 3 3 实验结果与分析2 4 3 3 1 淬火组织与硬度2 4 3 3 2 淬火温度对硫化物的影响2 7 3 3 3 回火组织及其分析2 9 3 4 本章小结。3 0 第四章高硫合金钢的磨损性能及其力学性能3 1 4 1 前言31 4 2 实验过程与方法3l 4 2 1 磨损实验方案3 1 4 2 2 拉伸及冲击实验方案3 3 4 3 实验结果及分析一3 3 4 3 1 不同淬火温度砂模试样的磨损结果3 3 4 3 2 相同淬火温度不同凝固速度试样的磨损结果3 8 4 3 3 拉伸实验结果及分析3 9 4 3 4 冲击实验结果及分析4 0 4 4 本章小结4 2 第五章结论一4 3 参考文献4 4 致谢4 6 附勇乏4 7 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章文献综述 1 1 前言 随着近几年对钢中硫元素的不断研究，一种具有自润滑特点的新型材料一高硫合金钢 f h s ) 被研制开发出来，其具有耐酸碱、耐摩擦、耐高温、抗磨损、抗咬合、抗粉尘的优点， 在工作环境恶劣的场所如高温、重载、粉尘大、无润滑油的情况下特别适用。高硫合金钢 ( h s ) 中的含硫量在0 5 1 1 ，能够代替一般的金属耐磨制品【l 】。 经过实践证明，高硫合金钢( h s ) 力h i 性能优良，能够减轻甚至消除摩擦零件与摩擦副 之间的相互切削现象，因此可以提高摩擦零件与摩擦副的耐磨性【l 】。使用高硫合金钢( h s ) 不但可以减少油脂消耗，而且节约成本，减少事故发生，为企业带来巨大经济效益。 硫在钢中是引起热脆的元素之一。由f e s 二元相图可知( 图1 1 ) ：硫与铁形成f e s ， 熔点为1 1 9 0 ，f e s 与f e 形成低熔共晶f e s f “9 8 8 ) 【2 】，沿初生晶粒晶界析出，形成 包围铁素体晶粒的连续或不连续的网状易熔组织，加工时特别容易引起热脆。但是，硫与 金属所形成的化合物一般具有很强的自润滑性，所以高硫合金钢( h s ) 在耐高温摩擦、耐酸 碱和抗咬合等方面有着很大的应用前景。 a t o m i cp e r c e n ts u l f u r 图1 i f e - s 相图 1 2 钢中的硫化物 钢中的硫化物一般指的是钢在凝固过程中由于硫的溶解度下降，来不及去除而留在钢 中形成的夹杂物。硫化物是钢中重要的非金属夹杂物。按照f r a l 【o s k i 对非金属夹杂物的 分类，硫化物属于微观夹杂。 一直以来，人们普遍认为硫在钢中是有害元素，应该尽力除尽。例如，在轧制过程中， 多数氧化物夹杂的变形量要比硫化锰( m n s ) 夹杂低，因而对横向和纵向韧性、塑性要求高 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 的碳素钢和低合金结构钢来说，硫化物的影响也就比氧化物夹杂要大。同时，硫化锰( m n s ) 夹杂还是钢基体点腐蚀的发源地，钢的氢脆现象与钢中的硫化物夹杂也有着密切关系。因 此，人们一直都想方设法将钢中的硫含量尽可能的降到最低水平。然而，随着对夹杂物研 究的不断深入，认识不断的加深，人们认识到夹杂物只是一个相对的概念。“杂质 不是 一成不变的，随着钢的用途、种类的变化，“杂质”也可以变成有利的。夹杂物在钢中以 某种形态存在是有害的，但是通过改变，使之成为另一种形态存在便是无害的，甚至是有 利的，例如： 1 ) 硫以f e s 在奥氏体晶界沉淀时，使钢在加热的时候产生热脆【2 】，当钢中的锰含量达 到一定数量时，便可使硫以m n s 的形式存在，避免热脆的产生。 2 ) 钢材热加工后带状硫化物对横向冷弯和横向冲击有明显的危害。如果使硫化物在 加工后呈球状，则能改善横向性能，能够接近甚至达到纵向性能的水平，消除横向性能上 的危害。 3 ) 球状硫化锰和沿晶界分布的硫化锰都属于m n s 夹杂物，前者在铸铁中对机械性能 的危害很小。但是后者则对机械性能危害很大。 4 ) 一般钢中，硫是有害元素，要尽力除尽。但是在易切削钢中，硫含量往往都超过 一般钢中的含硫量。这是利用硫化物来改善钢的切削性能。 5 ) 硫化锰在一般钢中是有害的夹杂物，然而在电工硅钢中弥散而细小的硫化锰颗粒 能够在初次再结晶退火时阻止硅钢正常晶粒的长大，在二次再结晶退火时使硅钢晶粒按一 定取向长大，达到所需性能要求。 1 2 1 硫化物的形态和影响因素 s i m s 按铸钢中硫化物的形态和分布的不同将硫化物分为三类： i 类硫化物呈颗粒状，其大小为1 0 0 p m 左右，常常与氧化物复合成氧硫化物，它可 以是单相也可以是双相的，而且往往呈现无规则分布，但有时也分布在树枝晶间。 i i 类硫化物( m n s ) 多以薄膜形或扇形存在，以共晶形式分布在钢锭晶粒边界，呈匀质 硫化物。 i i i 类硫化物是一种边、角和平面都很清晰的硫化物，粗看是匀质的，实际上这种硫化 物上存在有某些氧化物斑点。 有人还把从熔体中析出的树枝形或骨骼形硫化物划归为第1 i 类。第1 类和第1 i i 类硫化 物夹杂是以单个状态存在的，对钢的韧性不会产生有害影响；第1 i 类夹杂则彼此相连、割 裂，隔离基体，会对钢的韧性产生不良影响因此，生产中一直力求得到以i 、i i i 型为主的 硫化物夹杂，避免i i 型夹杂的析出【引。 影响硫化物形态的因素很多： 1 ) 氧、铝、碳、硅等元素含量 影响硫化物形态的最主要因素是氧的含量，e c g h e m 4 】等人定量地说明铝脱氧钢中氧 含量与硫化物形态的关系： 含氧量 0 0 1 2 ，形成i 类硫化物 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 含氧量在0 0 1 2 - - 0 0 0 8 ，形成i i 类硫化物 含氧量 o 0 2 ，形成i 类硫化物，当氧量为0 0 0 2 - 0 0 1 形成球状的 i 类硫化物和沿晶界分布的i i 类硫化物。而i 类硫化物的形成，还要受其他元素的影响 碳、硅含量高时，形成i i i 类硫化物：如果没有碳和硅的存在，铝含量高也不会形成i i i 类硫化物；其他元素如磷、钙、铬、锆则促进i i i 类硫化物的形成。所以i i i 类硫化物通常不 存在于普通钢中，而存在于铸铁，1 c g r 滚珠轴承钢，高铬不锈钢和高硅钢中。而i 类 硫化物通常存在于沸腾钢和半镇静钢中；i i 类硫化物则存在于镇静钢中1 3 j 。 2 ) 硫含量 经过研究，在钢中分别加入0 0 0 4 、0 0 1 ，o 0 5 ，0 1 0 ，0 6 5 的硫，研究含硫 量对硫化物形成的影响，结果表明加入0 0 0 4 和0 0 1 硫时，形成i 类硫化物；加入0 0 5 硫就为i i 类硫化物，硫量增高时，i i 类硫化物的量随之增多。当加入0 6 3 硫时，就形成 i i i 类硫化物【3 1 。 3 ) 钢中残余稀土量与硫化物夹杂形态的关系 稀土元素与硫有很强的亲和力，在钢中易与硫生成球形的稀土化合物。对于预先用 甜脱氧处理后的钢液来说，由于用砧进行终脱氧比较充分，钢中已获得形成i i 类硫化物的 条件，这就要求钢中有足够的稀土，才能把以硫化锰为主的第1 i 类硫化物绝大部分地转变 为稀土硫化物或稀土硫氧化物( i 、i 型) 。 稀土残余含量w ( r e ) = 0 0 4 是控制钢中硫化物夹杂形态的临界值，当w ( r e ) z r 3 s 4 t i s m g s m n s f e s 在i0 0 0 。c 时，c e s c a s m n s c u 2 s m 0 2 s 3 n i 3 s 2 f e s m o s 2 w s 2 在实际生产中，钢中常含有一定量的锰。当不含稀土、锆、钛等元素时，锰是与硫亲 和力最强的元素，因此钢中的硫就必然形成硫化锰【3 】。 1 2 3 热处理对硫化物的影响 热处理工艺对钢中硫化物的形状、分布和尺寸等都有很大的影响： 1 ) 在高温( 1 4 5 0 ) 下以 6 0 分的速度将钢缓慢冷却时，约在1 2 0 0 以下硫化 物以两种形式迅速沉淀：一是以片状沉淀在奥氏体晶粒的f 1 0 0 面上，另一是以小点状沉 淀在奥氏体晶界上。 2 ) 钢从高温快冷( 1 4 0 0 以上水冷) 可抑止硫化物的沉淀。但是，将钢再加热到奥 氏体温度时，硫化物就呈现出不完整的片状沉淀在晶内，以及呈很细的点状沉淀在晶界 上。 3 ) 钢由高温慢冷至室温所沉淀的硫化物，再加热至奥氏体温度时，片状硫化物仍不 分解，这种形状一直保持到硫化物的溶解度。上述片状硫化物是q m n s ，但其中固溶了 2 3 f e s 。 4 ) 硫化物在钢中的溶解温度，受钢中锰和碳含量的影响。在低锰( o 1 ) 钢中，溶 解温度为1 2 9 0 ，与碳含量无关。当钢中含0 2 0 4 的锰，碳含量为0 8 时，溶解温度 为1 3 2 0 。当碳含量降至0 1 时，溶解温度上升到1 4 0 0 。 由于热处理对改变硫化物的类型、组成、形态、数量、尺寸、分布有重要的作用，因 此研究高硫钢( h s ) 的热处理工艺是非常有必要的【3 】。 1 3 高硫钢及其中硫化物的研究现状 高硫钢由河南安阳市青山高硫合金钢有限责任公司率先开发，近几年，通过深入研 究高硫合金钢特性，在完善其冶炼工艺的同时，又相继研制开发了高硫合金钢系列钢种： 高硫锰钢、高硫铬锰钼钢、高硫铬钨钢、高硫铬镍钢、高硫铬钨镍钢等钢种。 高硫钢目前主要应用于耐磨轴承，用高硫合金材料制作的滑动轴承，可适合线速度 在每秒6 米范围内代替各种滚动轴承、关节轴承、铜瓦、铜套、滑块、滑板、螺母以及锌 铝合金、铅锌合金和巴氏合金，特别适用于冶金行业烧结厂的带冷机轴套、烧结机台车铜 套、固定滑道、密封滑道、环冷机、链箅机衬套、轧钢机导辊、导卫板，汽车发动机的气 门作圈、热工阀门导套等，炼钢厂的混铁炉大瓦、转炉耳轴承、拉矫机轴承、二冷段轴套、 输送辊道轴承、剪机滑块等，最重要的一点是用高硫合金钢制作的轴承、轴瓦在使用时可 不用加润滑油，不用水冷却。 近年来，鞍钢、武钢、邯钢、重钢、莱钢、安钢、包钢、首钢、酒钢、柳钢及上海浦 东钢铁集团、临汾钢铁厂、中原内燃机等几十家企业的使用显示，用高硫合金钢制作的轴 承、轴瓦效果很好，一般可使用半年到一年不损坏，为企业减少了因停机维护所造成的人 力、物力浪费，提高了工作效率，达到了增产增效的目的。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 在钢中加入比常规钢种高出数十倍甚至上百倍硫元素而冶炼的高硫钢，具有良好的自 润滑、减摩、耐磨、耐热性能。高硫钢利用钢中金属硫化物的自润滑性，使钢中硫变成 了有益元素，修正了传统的“硫是钢铁生产之大敌”的定论，它突破了传统钢铁中硫元素 的作用理论，通过特殊方法，在钢中加入0 5 一1 1 的硫，再经过冶炼，使高硫合金钢 具有非常独到的特性： ( a ) 自润滑能力和抗咬合能力。当摩擦开始时，其表面迅速释放带润滑性的固体黏结 物，形成较稳定的固体润滑膜，消除啮合现象。 m ) 耐高温性。该产品在8 5 0 的高温下正常运转，是其它耐磨材料所不及的。 ( c ) 高硫钢还具有较强的耐磨性( 是钢合金、铝合金的1 1 0 倍) 、低摩擦系数、不结瘤、 运行线速度高、机械性能好等优点。在热铸床、连铸机辊道、滚动轴承等只要有相对移动 的部位，都可使用高硫钢，寿命是传统特钢的1 0 2 0 倍，成本降低5 0 以上【_ 7 1 。 1 3 1 高硫钢的性能 高硫合金钢( h s ) 材料的机械性能【8 】如表1 1 。 表1 1 合金钢的机械性能 在强度、硬度和抗冲度上，高硫合金钢( h s ) 材料都有一定的优势。高硫合金钢( h s ) 材料可使用在机械设备中容易磨损的零件部位。目前摩擦系数最小的几种金属材料为 9 , 1 0 】： 锡青铜：0 0 0 8 0 0 0 9 铝青铜：0 0 0 9 0 0 1 锌基合金：0 0 0 5 0 0 0 7 h s 合金：0 0 0 3 0 0 0 4 用高硫合金钢( h s ) 材料制作的各种零件不仅可以保护摩擦体表面，而且大大提高摩擦 副的耐摩擦性。高硫合金钢( h s ) 能够将其与摩擦副接触受力后表面的不平度填平，使摩擦 的相对运动由原来相互“咬合 产生的摩擦变为基本没有“咬合 ；高硫合金钢( h s ) 因为 其本身组织内含有大量原子状态的耐高温化合物，能够在运转时在摩擦表面立即施放出大 量的耐高温粘结固体化合物，从而基本消除了“咬合 现象。高硫合金钢( h s ) 材料可保证 在9 5 0 高温情况下使用，完全不用任何润滑油或润滑剂，并可在线速度1 8 n 体以下的任 何转动部位使用【1 1 1 。 1 3 2 硫化物对钢性能的影响 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 由图1 1 ，f e s 相图可知，在1 3 6 5 时，硫在丫f e 中溶解度为0 0 5 ，而在9 8 8 c ( 共 晶温度) 的溶解度则降为0 0 1 3 。因此，在钢液冷却凝固过程中，会有一部分的硫富集在 液相中。当温度达到共晶点时，该共晶体会形成网状的膜分布在y f e 晶界，与f e 形成低 熔共晶。当金属在1 0 0 0 以上进行热加工时，它又将会熔成液体，并在外力作用下沿金 属晶界滑动而引起金属的破裂，产生“热脆”。另外，在固熔体析出时所形成的内应力， 也会导致晶界裂纹的形成和发展。资料显示，钢材的表面裂纹数量会随着钢中硫含量升高 而明显增多。 硫化物会导致钢的机械性能降低。一般来说，在使用过程中由于非金属夹杂周围显微 裂纹扩张会引起钢材的疲劳裂纹生成和发展，因此，脆性夹杂的危害性较大。而硫化物具 有良好的塑性，所以危害较小。钢中还会由于硫的存在使钢产生腐蚀现象。焊接过程中 m n s 夹杂会造成钢的热撕裂。硫化物还能降低材料的导磁率及增大磁性材料的铁损。 硫化物能提高钢的切削性。硫在易切削钢中是最早使用的易切削元素，并且广泛运用 到各类易切削钢中。一般认为，硫系易切削钢中硫化物夹杂长宽比小、形状大、分布有规 律、密集的材料更有利于降低切削力，提高刀具的寿命，切削加工性好。对不少的钢种如 易切削钢、滚珠钢、高速工具钢等、钢中存在适量的硫并使其以适当形态的硫化物存在 不但无害反而有利。硫以硫化锰( m n s ) 的形式分布在钢中，由于m n s 夹杂物作为应力集 中源，割断了基体的连续性而使切屑易断，又由于m n s 的润滑作用而降低了刀具的磨损， 从而改善了钢材的切削加工性能【5 】。 1 4 凝固速度对组织晶粒的影响 金属材料的晶粒大小是一个重要的工程参数，它将影响金属材料的性能，如疲劳强度、 硬度、塑性及韧性等。晶粒大小的控制对改善金属的性能具有重要实际意义，晶粒大小通 常以单位体积中晶粒的数目表示【1 2 】。可以通过增大凝固速度等方式来细化晶粒【1 3 , 1 4 。 金属的凝固速率对硫化物尺寸、数量和形态有着很大的影响：文献【1 5 】报导的钢液凝 固过程中夹杂物颗粒长大的模型如下【1 5 】： 3：3：4 2 9 v o c d ) k rr e a t h( 1 1 ) 。=。= l j 9r t h ( c 9 t c 0 式中，r 为夹杂物的直径；r o 为夹杂物的最初直径( 形核核心的直径) ；o 为夹杂物与钢 液之间的比表面能；扩为夹杂物的摩尔体积；c k 为钢液中溶质元素的浓度，其中k = s ，m n ； d k 为溶质元素的扩散系数( m 2 s ) ；r 为气体常数；c p k 为达到形成夹杂物的溶质元素的浓 度；a t h 为从第h 温度区间冷却到固相线的时间( h = 1 ，2 ，1 0 ) ，a t h = ( t h t 。) 1 ，为凝 固速率，t s 为固相线温度，t h 为第h 温度区间的温度；t h 为在第h 温度区间和固相线之 间的中间温度，t h = ( t h + t s ) 2 。由式( 1 1 ) 可看出，d k 随着温度的降低而减小，冷却速度的 加大会减少溶质元素的偏析，因而c k 也相应降低。并且从第h 温度区间冷却到固相线的 时间间隔t h 随着冷却速率的增大而减小。因此，从式( 1 1 ) 可知，随冷却速率的增加， 生成的夹杂物明显变小【1 6 】。 1 5 钢铁材料的摩擦磨损与减磨 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 任何机器运转时，相互接触的零件之间都因相对运动而产生摩擦，而磨损正是由于 摩擦产生的结果。由于磨损，将造成表层材料的损耗，零件尺寸发生变化，直接影响了零 件的使用寿命。磨损是降低机器的工作效率、精度甚至使其报废的一个重要原因，同时也 增加了能源的消耗。据不完全统计，世界能源的1 3 1 2 消耗于摩擦，而机械零件8 0 失 效原因是磨损。解决实际的模式问题时，需要分析参与磨损过程的条件和特点，确定模式 类型，才能采取有效地措施减少磨损，提高材料的耐磨性。 由于接触并发生相对运动的钢铁机械零件在其摩擦过程中分离出小颗粒磨屑而发生 磨损，使零件的接触表面不断发生尺寸变化，质量不断减小，并且表面变形和断裂是一个 动态循环的过程，直至机件报废。机件正常运行的磨损过程一般分为跑合阶段、稳定磨损 阶段和剧烈磨损阶段三个阶段。 磨损是各种因素相互影响的复杂构成，其类型较多，通常按照磨损机理将磨损分为粘 着磨损、磨料磨损、疲劳磨损( 接触疲劳) 和微动磨损等形式。研究磨损的规律是为了防止 或减少磨损，延长零件使用寿命。完全消除磨损是做不到的，但可以使磨损降低到合理的 范围。现今，提高材料的耐磨性主要有两种途径：一是改善材料的硬度，开发耐磨材料。 二是降低材料的摩擦系数，开发自润滑材料。 从摩擦学的基本理论出发，要降低材料的摩擦系数和磨损率，就必须使材料的表面同 时具有高硬度和低剪切强度，而含有硫化物的钢正好兼此特点，磨损时硫化物在钢的表面 形成低剪切强度膜，亚表层则是含有大量合金元素的马氏体组织而硬度较高，能起到很好 的支撑作用。因此，利用硫化物的自润滑减磨作用能提升工件的耐磨性。 1 6 钢的热处理 热处理工艺是一种改善钢铁性的重要工艺，是将钢铁在固态下加热到预定的温度，并一 在该温度下保持一段时间，然后以一定的速度冷却到室温的一种热加工工艺。其目的是改 变钢的内部组织结构，以改善其性能【l 7 1 。根据相图，钢铁在固态下其内部组织随温度的 变化而发生改变。不同的加热温度、不同的冷却速度会得到不同的组织，因而可以得到不 同的性能。和其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是 通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能， 其特点是改善工件的内在质量。由此可知，热处理在机械制造，冶金工业中占有十分重要 的地位i l 引。以下就是热处理工艺的简单介绍： 1 6 1 正火 正火是将钢加热到a c 3 或a c c m 以上3 0 5 0 保温，然后在室温的静止空气中自然 冷却【1 9 】。正火的目的是使上一道工序中产生的非正常组织( 如铁素体晶粒粗大、魏氏组织、 带状组织和非铁素体+ 珠光体等产物等亚共析钢组织缺陷) ，通过结晶转变为正常组织( 对 低碳钢为细小等轴铁索体+ 均匀分布的块状珠光体组织1 【2 0 】。 正火主要应用于以下几个方面：( 1 ) 改善低碳钢的切削加工性能；( 2 ) 消除中碳钢的热 加工缺陷；( 3 ) 消除过共析钢的网状碳化物，便于球化退火；( 4 ) 提高普通结构件的力学性 能【2 l 】。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 1 6 2 退火 退火就是将金属或合金加热到适当温度，保温一定时间，然后随炉缓慢冷御的热处理 工艺，其实质是将钢加热奥氏体化后进行珠光体转变。其作用为：( 1 ) 降低钢的硬度，提 高塑性，以利于切削加工及冷变形加工；( 2 ) 细化晶粒，消除因锻、焊等引起的组织缺陷， 均匀钢的组织成分，改善钢的性能或为以后的热处理作准备。( 3 ) 消除钢中的内应力，以 防止变形或开裂。退火研究的主要内容是加热速度和保温时间、冷却速度取决于材料的成 分和处理目的。常用的退火方法有完全退火、球化退火、去应力退火、再结晶退火、扩散 退火和等温退火等几种。 1 6 3 淬火 钢的淬火，就是将钢加热到临界温度a c 3 以上，保温一定时间，使碳化物部分溶解并 使奥氏体均匀化，并以大于临界冷却速度进行冷却的一种工艺过程，其主要目的是获得马 氏体组织以提高钢材的硬度【2 2 1 。 亚共析钢的淬火加热温度应选择在临界点a c 3 以上3 0 - 5 0 。过共析钢应选择在 临界点a c l 以上3 0 - - 5 0 。淬火组织一般都是马氏体，马氏体是碳在q f e 中的过饱和 固溶体。其形态依马氏体含碳量的高低而形成两种基本形态，即板条状马氏体和片状马氏 体。 淬火温度过高，淬透性好、机械性能高，但温度过高，奥氏体晶粒易于粗大，淬火后 得到粗大的马氏体组织，并且淬火后试样易变形甚至开裂，故得不到良好的综合力学性能； 淬火温度过低，钢中的铁素体和珠光体不能全部转变成奥氏体，冷却后得不到单一的马氏 体组织，钢的强度不符合要求。 淬火时间的选择：钢中的合金元素在原始组织各相( 铁素体及碳化物) 中的分配是不均 匀的。在加热时，如保温时间不足，将会得到成分极不均匀的奥氏体，此时，合金元素将 主要集中在未溶解的碳化物及其周围的奥氏体中，淬火后就会得到极不均匀的马氏体，就 不能充分发挥合金元素的作用，因此加热时要求奥氏体尽可能均匀化【2 3 1 。 淬火方法有单液淬火、双液淬火、分级淬火和等温淬火。选择适当的淬火方法同选用 淬火介质一样，可以保证在获得所要求的淬火组织和性能条件下，尽量减小淬火应力，减 少工件变形和开裂倾向。 1 6 4 回火 将淬火钢重新加热到临界点a c l 以下的某一温度，保温一定时间，然后在空气或油 中冷却到室温的热处理工艺，称为回火。回火的目的是稳定组织、稳定零件在使用中的性 能和尺寸；消除内应力；提高塑性和韧性。根据加热温度的不同，回火可分为高温回火 ( 4 0 0 。c 以上) 、中温回火( 2 5 0 , - - - , 4 0 0 。c ) 和低温回火( 1 5 0 - 一2 5 0 。c ) 。钢经淬火加高温回火的热 处理工艺称为调质处理，调质处理后可得到强度、塑性、韧性都较好的综合力学性能，调 质处理广泛用于受力构件，如螺栓、连杆、齿轮、曲轴等【2 0 】。 淬火钢应及时进行回火，消除淬火应力，防止工件在使用过程中发生变形及可裂，通 过回火提高钢的韧性，适当调整钢的强度和硬度，使工件达到所需的力学性能，充分回火 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 以得到稳定的组织和性能；总之，合理考虑影响淬火回火性能的各种因素，合理选择回火 温度，就可得到所需力学性能的合格产品【2 4 】。 由于高硫钢主要是用于各种机器的转动部件，一般要求很高的硬度与强度，所以本实 验将采用淬火工艺，一方面淬火时钢发生奥氏体化，可能对硫化物形态有所改变，另一方 面淬火能钢的硬度与强度，使其符合应用要求。淬火后还要进行回火，以稳定组织、和尺 寸、消除内应力及提高塑性和韧性【2 副。 1 7 本课题的研究意义 中国并不缺铁矿资源，其蕴藏量位居世界第四位( 目前，中国已查明铁矿资源储量 6 0 7 亿吨，预测未查明资源量1 0 0 0 亿吨以上) ，但是，中国的铁矿品位低于世界铁矿品 位1 1 个百分点，而且难采难选，生产成本高。这个品位，主要是指国内铁矿石含硫过高。 一般认为，硫是钢中的有害元素，一般钢中的硫含量必须低于0 0 0 4 ，优质钢不得大于 0 0 0 3 。也就是说，中国的铁矿石质量“差 ，大部分是高硫铁矿石，不得不从国外进 口低硫铁矿石。实际上，现在钢铁脱硫的技术已经成熟，但无疑这会增加钢材的成本，不 利于市场竞争，也是一般小型企业无力承受的。 近些年研究发现改变硫化物的尺寸和形态，可以提高高硫合金钢( h s ) 的性能。其广泛 用于热铸床、连铸机辊道、滚动轴承等只要有相对移动的部位，寿命是传统轴承的3 1 0 倍，成本降低5 0 ，经济效益十分显著。可见研究高硫合金钢( h s ) 及其中的硫化物具有 重要的经济和现实意义。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 2 1 前言 第二章凝固速度对高硫合金钢组织及其硫化物的影响 弥散的硫化物晶粒能够伺效地改吾两硫合金钢的塑韧性。增加铸件的凝崮速反能够伺期 细化晶粒。本章实验对不同凝固速度下的高硫合金钢铸态组织进行了金相观察和能诸 析，对其硫化物进行了定量和定性分析，研究凝固速度对高硫钢组织及其硫化物形态、 寸和分布的影响。 2 2 实验过程与方法 2 2 1 实验材料 本实验用钢是由安阳青山高硫合金钢公司提供。在中频感应炉中熔化废钢，加入酝 的合金料以及加入锰铁进行预脱氧，在钢包中加入配好的稀土镁，将钢液倒入钢包中， 匀处理后用中性渣( c a o s i 0 2 = 0 9 1 0 ) 覆盖钢液造渣，最后用设计好的模具进行浇注。 验钢的化学成分见表2 1 。 表2 1 试验钢的成分( w t ) scc rm nm o 1 6 40 61 7 8 70 70 3 5 6 本实验对不同凝固速度的高硫钢进行比较分析，用铁和型砂设计制作了具有不同掬 速度的5 个模具用于浇注试样，模具尺寸如图2 1 所示。 1 1 5 m m 。 5 5 m m r 4 5 m m 2 5 m m 。 1 5 m m 2 5 m m j- l 1r 一、 、 。 一 二 t 、孓= 3 乙 o 鲁 r 、 a b 小 的 分 尺 好 均 试 固 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 c d 图2 i 浇注所用铁模尺寸 如图2 1 ，a 、b 、c 、d 四个模具用钢材制作，另用型砂按c 模具制作砂模e 。模具铸 造时，模具对铸件的冷却强度决定了铸件的凝固速度，而影响冷却强度的因素是：模具的 热导率和蓄热能力。铁模的蓄热系数比砂型的大十几倍，同一尺寸的铸件在这两种铸型中 的凝固速度也相差十几倍，铁模的凝固速度比砂型的大【2 6 1 。而铸件尺寸、直径越小，凝 固时所需散发的热量越少，凝固速度就越大。故从a 到d 的凝固速度是越来越低的。 浇注试样后，按对应模具分别得到凝固速度由快到慢的铸件a 、b 、c 、d 、e 。由于 铸态高硫钢具有很大的内应力，需及时进行去应力退火。然后用线切割机从a 一e 铸件上 各取两块1 0 5 5 的小试样，制成试样后分别用于金相观察和扫描电镜实验。 2 2 2 实验方法 为了研究不同凝固速度对高硫钢铸态组织及其硫化物的影响，必须对其进行金相分 析。对高硫合金钢铸态组织进行金相制样后，进行以下几个方面的研究： ( 1 ) 金相组织分析、硫化物化学成分能谱分析。 ( 2 ) 高硫钢中硫化物体积分数研究。定量金相测定铸态组织中硫化物的体积分数。用 标准的网格放在金相显微镜的目镜内，数落在被测组织内的点数，再除以测量用网格的总 点数。用数理统计方法算出平均值，得出硫化物体积分数【27 1 。 ( 3 ) 硫化物尺寸分布研究。为了探索硫化物颗粒的大小对钢性能的影响，需要测定硫 化物颗粒的尺寸分布。 2 2 3 实验设备、仪器及耗材 d k m4 0 0 e 2 3 k 精密数控线切割机床、n o v an a n o4 0 0 型场发射扫描电子显微镜、 a x i o p l a n 2 多功能z e i s s 金相显微镜、h r 1 5 0 a 洛氏硬度计、h m